人类的鼻子可以区分一万亿种不同的气味 - 这是一项非凡的壮举，需要1000万个专门的神经细胞或神经元，以及400多个专用基因家族。但正是这些基因和神经元如何协同工作才能发现特定的气味，这让科学家长期困惑不已。这在很大程度上是因为每个神经元内部的基因活动 - 这1000万个神经元中的每一个只选择激活这些数百个专用基因中的一个 - 似乎太简单了，无法解释鼻子所需的气味数量。但现在，哥伦比亚大学的一项小鼠研究发现了一个惊人的机制：通过在三维空间中重新排列，基因组协调每个神经元中这些基因的调节，从而产生检测我们所经历的气味所需的生物多样性。
“通过今天的研究，我们已经确定了一种基因组机制，通过该机制，有限数量的基因最终可以帮助区分看似几乎无限数量的气味，”哥伦比亚的Mortimer B. Zuckerman Mind Brain的首席研究员Stavros Lomvardas博士（行为研究所和论文的资深作者）说。
气味，也称为嗅觉，令人难以置信的复杂。我们鼻子里的受体不仅必须识别气味，还要测量它的强度，扫描我们的记忆以确定它是否曾经遇到过，并确定它是否令人愉悦或有毒。嗅觉受体神经元，从鼻子到大脑蜿蜒的专门神经细胞，使这一切成为可能。尽管每个神经元都包含400个专用嗅觉受体基因的全套，但每个神经元中只有一个基因活跃。更令人困惑的是：活跃的基因随机选择，并且不同于神经元和神经元。
这种不寻常的基因活动模式被称为“每个神经元的一个基因”规则，长期以来一直是Lomvardas博士等科学家的研究重点。实际上，破译每个嗅觉受体神经元如何能够激活这些基因中的一个 - 以及这个过程如何产生如此精细调整的嗅觉 - 几十年来仍然是神秘的。
“在老鼠体内，嗅觉受体基因在大约60个不同的位置散布在基因组中 - 在彼此相距很远的不同染色体上，”Lomvardas实验室和该论文的博士后研究科学家Kevin Monahan博士说。 - 第一作者。小鼠有大约1,000个嗅觉受体基因，是人类的两倍以上，可能表现出优异的嗅觉。
传统上，人们一直认为位于不同染色体上的基因很少（如果有的话）彼此相互作用。通过采用称为原位Hi-C的新基因组测序技术，Lomvardas博士和他的团队最近发现，染色体的相互作用比预期的要频繁得多。“原位Hi-C在很大程度上是革命性的，因为它允许我们在3D中绘制活细胞内的整个基因组图谱，”最近毕业的Lomvardas实验室博士候选人Adan Horta博士说道。第一作者。“这为我们提供了特定时间点基因组的快照。”
研究人员拍摄的快照显示，位于不同染色体上的嗅觉受体基因簇在选择嗅觉受体基因之前会向每个染色体物理移动。在这些基因挤在一起之后不久，另一种称为增强子的遗传元素聚集在一个单独的3D隔室中。增强子本身不是基因，而是调节基因的活性。
“我们以前发现了一组增强子，我们命名为希腊群岛，位于各种嗅觉受体基因附近，”Horta博士说。“这项工作表明，这些增强剂创造了活动的热点，以调节”选择的“嗅觉受体基因。该团队还发现蛋白质Ldb1在这一过程中起着关键作用。它将希腊群岛连在一起，允许他们打开特定的嗅觉受体基因，然后 - 作为一个团队 - 解释手头的特殊气味。
“这些基因团队赋予嗅觉系统以多种方式作出反应的能力，”莫纳汉博士说。“这个过程的灵活性有助于解释我们如何轻松地学习和记住新的气味。”研究人员的研究结果虽然与嗅觉有关，但可能会影响染色体间相互作用发挥作用的其他生物学领域。
“染色体之间的相互作用可能是基因组变化的罪魁祸首 - 称为基因组易位 - 已知会导致癌症，”Lomvardas博士说，他也是哥伦比亚大学Kavli脑科学研究所的成员。担任哥伦比亚大学欧文医学中心生物学和分子生物物理学以及神经科学教授。“我们在嗅觉受体神经元中看到的三维变化是否会影响其他细胞的活动？这是一个我们希望探索的开放性问题。”
资料来源：材料由哥伦比亚大学的祖克曼研究所提供
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